JPS6072185A - Panel heater - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気エネルギーを利用した面状発熱体に関す
るもので、さらに詳しくは、面状発熱素子をホーロ層に
よって被覆して金属基板上に固定した発熱体の改良に関
する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to a planar heating element that utilizes electrical energy, and more specifically, a planar heating element is covered with a hollow layer and fixed on a metal substrate. Concerning improvements in heating elements.

従来例の構成とその問題点 面状発熱体は、近年、機器の薄型化、均一加熱などのニ
ーズに合った発熱体として、脚光をあびるようになって
きた。しかし、従来の面状発熱体の多くは、雲母などの
絶縁基板にヒータを巻回した構造であり、被加熱物への
熱伝達が悪く、電気発熱材が封口されていないので、耐
湿性に問題があった。また、近年、アルミナなどの化ソ
ートにタングステンなどの導体ペーストを用いて導電パ
ターンを形成し、シートをはり合わせて焼結した面状発
熱体があるが、焼結温度が高く、接点月別の溶融などに
より電極の取り出しなどに問題があった。また、発熱体
の熱容量が大きく、立上り時間が長いなどの欠点がある
。しかも、これらの多くは製造時の作業性と生産性の悪
いものであっ／こ、。Conventional Structures and Problems Planar heating elements have recently come into the spotlight as heating elements that meet the needs of thinning devices and uniform heating. However, most conventional planar heating elements have a structure in which the heater is wound around an insulating substrate such as mica, which has poor heat transfer to the heated object, and because the electric heating material is not sealed, it is not moisture resistant. There was a problem. In addition, in recent years, there are planar heating elements in which a conductive pattern is formed using a conductive paste such as tungsten on a chemical sorting material such as alumina, and the sheets are glued together and sintered. There were problems with taking out the electrodes. In addition, there are drawbacks such as a large heat capacity of the heating element and a long rise time. Moreover, many of these products have poor workability and productivity during manufacturing.

一方、ホーロ用金属基板にホーロ層によって被覆して面
状発熱素子を結合した面状発熱体が提案されている。こ
の発熱体の構成を第１図に示す。On the other hand, a planar heating element has been proposed in which a hollow metal substrate is covered with a hollow layer and a planar heating element is bonded thereto. The structure of this heating element is shown in FIG.

１はホーロ用金属基板で、その表面にはあらかしめホー
ロ層２を被覆しである。３は面状の発熱素子であり、こ
の素子をホーロ層２０表面におき、その上からホーロ層
を形成するスリップを塗布し、焼成してホーロ層４を形
成し、このようにしてホーロ層４によって被覆され、基
板と一体に結合された発熱体が得られる。Reference numeral 1 denotes a metal substrate for hollow holes, the surface of which is coated with a roughened hollow layer 2. 3 is a planar heating element, and this element is placed on the surface of the hollow layer 20, and a slip for forming the hollow layer is applied thereon and fired to form the hollow layer 4. In this way, the hollow layer 4 is heated. A heating element is obtained which is coated with and integrally bonded to the substrate.

この発熱体は、ホーロ層が耐熱性に優れ、電気絶縁性に
も比較的硬れているので、１００〜４００℃程度の中高
温度域で使用するのに適し、しかも薄型で長寿命が期待
できるなどの特徴を有している。しかし、上記のような
構成では、以下のような問題を生じることが判明した。This heating element has a hollow layer with excellent heat resistance and relatively hard electrical insulation properties, making it suitable for use in medium to high temperature ranges of around 100 to 400 degrees Celsius.Moreover, it is thin and can be expected to have a long life. It has the following characteristics. However, it has been found that the above configuration causes the following problems.

その第１は、ホーロ層の絶縁抵抗であり、使用温度域が
２ｏ○℃程度以下ならば問題はないが、２００℃以上に
なるとホーロ層の絶縁抵抗が急激に劣化する。この理由
は、ホーロ層のサーミスタＢ定数が大きいためと考えら
れる。The first is the insulation resistance of the hollow layer, and there is no problem if the operating temperature range is about 2°C or lower, but when the temperature range exceeds 200°C, the insulation resistance of the hollow layer deteriorates rapidly. The reason for this is thought to be that the thermistor B constant of the hollow layer is large.

第２は、金属基板とホーロ層を介した発熱素子間の絶縁
耐力が低いことである。この理由は、ホーロ層２か泡構
造を有していること、製造過程において面状の発熱素子
３をホーロ層２の表面に設置したときに介入した空気が
残存すること、発熱素子３を置いた後発熱素子を被覆す
るだめのホーロ層４を形成する際、ホーロ層２に再焼成
することなどの要因から、第２図に示したように、金属
基板１と発熱素子間３に空洞ができる。すなわちホーロ
層２中にピンホール部５（第２図ａ）やボイド部ｅ、ｅ
’　（第２図す、ｃ）ができ、絶縁破壊されやすくなっ
ているだめと考えられる。The second problem is that the dielectric strength between the metal substrate and the heating element via the hollow layer is low. The reasons for this are that the hollow layer 2 has a foam structure, that air that intervened when the planar heating element 3 was placed on the surface of the hollow layer 2 during the manufacturing process remains, and that the heating element 3 is not placed on the surface of the hollow layer 2. When forming the hollow layer 4 to cover the heating element after heating, due to factors such as re-firing the hollow layer 2, a cavity is formed between the metal substrate 1 and the heating element 3, as shown in FIG. can. That is, there are pinhole parts 5 (FIG. 2a) and void parts e, e in the hollow layer 2.
' (Fig. 2, c) is formed, and it is considered that the insulation breakdown is more likely to occur.

このようにホーロ用金属基板にホーロ層によって被覆し
て面状発熱素子を結合した面状発熱体は、耐熱性には優
れてはいるものの、高温度での電気絶縁性が低下し、実
用化する際の問題になっている。In this way, a planar heating element made by covering a hollow metal substrate with a hollow layer and bonding a planar heating element to it has excellent heat resistance, but its electrical insulation properties deteriorate at high temperatures, making it difficult to put into practical use. This has become a problem when doing so.

発明の目的 本発明は、上記のようにホーロを用いた面状発熱体の特
に高温度での電気絶縁性を改良して、信頼性の優れた面
状発熱体を提供することを目的とする。Purpose of the Invention The object of the present invention is to provide a highly reliable sheet heating element by improving the electric insulation properties, especially at high temperatures, of the sheet heating element using hollow metal as described above. .

発明の構成 本発明の面状発熱体は、金属基板に結合した絶縁ホーロ
層をホーロ下引層と、これと結合したホーロ下引層から
構成し、その表面に電気発熱素子を介してホーロ層４を
被覆してなシ、がっホーロ下引層及びホーロ上引層を構
成するガラスフリットのいずれかがチタン乳白フリット
であることを特徴とする。本発明によれば、金属基材と
電気発熱素子との間の電気絶縁性が著しく向上し、２０
０℃以上の高温度で使用しても問題がない。Structure of the Invention The planar heating element of the present invention comprises an insulating hollow layer bonded to a metal substrate, a hollow undercoating layer and a hollow undercoating layer bonded thereto, and a hollow layer is applied to the surface of the hollow undercoating layer through an electric heating element. 4, any one of the glass frits constituting the hollow undercoat layer and the hollow overcoat layer is a titanium opalescent frit. According to the present invention, the electrical insulation between the metal base material and the electric heating element is significantly improved.
There is no problem even if it is used at high temperatures of 0°C or higher.

実施例の説明 本発明の面状発熱体の各構成要素について、以下に詳し
く説明する。DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Each component of the planar heating element of the present invention will be described in detail below.

（へ　金属基板 本発明に適用できる金属基板は、ホーロ用鋼板が最も適
している。ホーロ用鋼板は、炭素の含有量が０．○０８
重量重量下と少なく、ホーロ焼成中にＣＯやＣ０２の生
成による泡発生が少ないことがら、電気絶縁性の優れた
ものが得られる。その他にアルミナイズド鋼板、ステン
レス鋼、アルミニウムおよびそれらの合金等も用いるこ
とができる。(Metal Substrate The metal substrate that can be applied to the present invention is a steel plate for hollow holes.The steel plate for hollow holes has a carbon content of 0.○08
Since the weight is small and there is little generation of bubbles due to the production of CO and CO2 during enameling, a product with excellent electrical insulation properties can be obtained. In addition, aluminized steel plates, stainless steel, aluminum, alloys thereof, etc. can also be used.

（Ｂ）　ホーロ下引層及びホーロ上引層絶縁ホ〜ロ層を
構成するホーロ下引層及びホーロ上引層は、金属基板と
電気発熱素子間の絶縁層として最も重要である。(B) Hollow Undercoat Layer and Hollow Overcoat Layer The hollow undercoat layer and hollow top layer constituting the insulating hollow layer are most important as insulating layers between the metal substrate and the electric heating element.

従来のような１層だけのホーロ層では、絶縁抵抗や絶縁
耐力が低い。特に第１図の構成のように、電気発熱素子
に金属の薄帯を用いた場合は、第２図のように金属薄帯
の下部のホーロ層に欠陥がどうしても生じてしまう。し
かし、ホーロ層だけ、すなわち電気発熱素子を設け々い
場合は電気絶縁性が優れていることは本発明者らは確認
している３゜このことから、金属薄帯を設けることによ
ってホーロ層に欠陥゛が生じるものと思われる。A conventional hollow layer with only one layer has low insulation resistance and dielectric strength. In particular, when a metal ribbon is used as the electric heating element as in the configuration shown in FIG. 1, defects inevitably occur in the hollow layer below the metal ribbon as shown in FIG. However, the present inventors have confirmed that the electrical insulation is excellent when only the hollow layer is provided, that is, when many electric heating elements are provided.3 From this, it can be seen that by providing a thin metal strip, the hollow layer It is thought that a defect will occur.

金属基材と結合するホーロ層２は、スリップ中の水分あ
るいは炉内水蒸気と素地金属との反応により水素が発生
する。その反応機構は３　Ｆ　ｅ　＋　４　Ｈ２０→Ｆ
ｅ２０ｉ＋８〔Ｈ〕　であられされる。すなわちホーロ
層に水素が泡となって多数介在する。これに、電気発熱
素子３を設置し、さらにホーロ層４を施すときに、前記
ホーロ層２中の泡が上部へ出ようとするが、金属薄帯の
ある所は泡がぬけ出すに、大きな泡やピンホール等の欠
陥になるものと思われる。In the hollow layer 2 bonded to the metal base material, hydrogen is generated by the reaction between the moisture in the slip or the steam in the furnace and the base metal. The reaction mechanism is 3 Fe + 4 H20→F
It is e20i+8 [H]. That is, a large number of hydrogen bubbles are present in the hollow layer. When the electric heating element 3 is installed and the hollow layer 4 is applied, the bubbles in the hollow layer 2 try to come out to the top, but the bubbles come out in places where there is a thin metal strip, and the bubbles are large. This is thought to result in defects such as bubbles and pinholes.

本発明は、第３図のように、ホーロ２が金属基板と結合
したホーロ下引層２Ａとホーロ下引層と結合したホーロ
上引層２Ｂからな９、かつこれらを構成するガラスフリ
ットのいずれかをチタン乳白フリットで構成したもので
ある。As shown in FIG. 3, the present invention provides that the hollow 2 consists of a hollow undercoat layer 2A bonded to a metal substrate and a hollow overcoat layer 2B bonded to the hollow undercoat layer 9, and any of the glass frits constituting these. It is made of titanium milky frit.

すなわち、ホーロ層２は金属基材との反応によって多数
の泡が介在したホーロ下引層２Ａと、金属基材と反応し
ないため泡の介在がないホーロ上引層２Ｂとからなり、
電気発熱体と接する面が泡のないホーロ上引層となるた
め、１層だけホーロ層２を構成したものよりも、金属基
材と電気発熱体の電気絶縁性が優れたものとなる。That is, the hollow layer 2 consists of a hollow undercoat layer 2A in which a large number of bubbles are interposed due to reaction with the metal base material, and a hollow overcoat layer 2B in which there are no bubbles because it does not react with the metal base material.
Since the surface in contact with the electric heating element becomes a bubble-free hollow overcoat layer, the electrical insulation between the metal base material and the electric heating element is better than that in which only one hollow layer 2 is formed.

また、一般に、ホーロ層を金属基材に形成するには、金
属基材とガラスフリットの熱膨張率の関係からガラスフ
リット中にＮ　ａ　Ｏ、Ｋ　２０．　Ｌ　ｌ　２０など
のアルカリ金属が多く含凍れている。このようなガラス
フリットで構成したホーロ層は、温度が高くなるにした
がってアルカリ成分のイオン伝導が活発に々す、絶縁抵
抗の低下か著しい。アルカリ金属の含有量を少なくする
と絶縁抵抗は向上するが、金属基材との熱膨張率の差が
極端に大きくなり、ホーロ層の剥離あるいは金属基材と
ホーロ層の密着が著しく低下する。Generally, in order to form a hollow layer on a metal base material, NaO, K20. It contains a lot of alkali metals such as L l 20. In a hollow layer made of such a glass frit, as the temperature increases, ion conduction of alkaline components becomes more active, and the insulation resistance decreases significantly. When the alkali metal content is reduced, the insulation resistance improves, but the difference in thermal expansion coefficient with the metal base material becomes extremely large, resulting in peeling of the hollow layer or a marked decrease in adhesion between the metal base material and the hollow layer.

本発明は、チタン乳白フリットを用いることにより、ア
ルカリ金属のイオンの移動を抑制し、絶縁抵抗の高いホ
ーロ層を形成したものである。The present invention uses titanium opalescent frit to suppress the movement of alkali metal ions and form a hollow layer with high insulation resistance.

チタン乳白フリットは、再結晶析出型フリットとも呼ば
れ、あらかじめＴｌＯ２をガラス中に溶融させておき、
８００〜８６０℃の温度でホーロ層を形成するときに微
細なＴ　ｉ　０２の結晶が析出するガラスフリットであ
る。従って、ガラス中に析出したＴ　ｉ　０２が、アル
カリイオンの移動を抑制し、絶縁抵抗の優れたホーロ層
を得ることができる。１チタン乳白フリツトは、ホーロ
下引層、ホーロ上引層を構成するガラスフリットのいず
れに用いてもよいが、電気絶縁性からホーロ」二引層に
用いた方が好ましい。Titanium opalescent frit is also called recrystallization precipitation type frit, and is made by melting TlO2 in glass in advance.
This is a glass frit in which fine TiO2 crystals are precipitated when forming a hollow layer at a temperature of 800 to 860°C. Therefore, the T i 02 precipitated in the glass suppresses the movement of alkali ions, making it possible to obtain a hollow layer with excellent insulation resistance. The titanium opalescent frit may be used in either the glass frit constituting the hollow undercoat layer or the hollow top layer, but it is preferably used in the hollow second layer from the viewpoint of electrical insulation.

好ましいチタン乳白フリット組成を第１表に示す０ 第１表 （ｑ　電気発熱素子 本発明に適用できる電気発熱素子は金属の薄帯である。Preferred titanium milky frit compositions are shown in Table 1. Table 1 (q Electric heating element The electric heating element applicable to the present invention is a metal ribbon.

ホーロ層に封入する場合、薄帯でなけれは面状発熱体と
しての熱容量が大きくなり、本発明の目的に反する。When encapsulating it in a hollow layer, unless it is a thin strip, the heat capacity of the planar heating element will be large, which is contrary to the purpose of the present invention.

電気発熱素子の材質は薄帯にできる金属２合金はどれで
も適用できるが、特にＦｅ、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｒ
系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系が優れている。The material of the electric heating element can be any metal 2 alloy that can be made into a thin strip, but in particular Fe, Fe-Cr, Ni-Cr
system, and Fe-Cr-Ni system are excellent.

鉄系のものは低炭素鋼が適している。Low carbon steel is suitable for iron-based materials.

金属の薄帯化は通常の冷間圧延、熱間圧延にょる方法の
他に超急冷法にょる薄帯化も可能である１゜薄帯の膜厚
は１０〜１５０μｍが適用できるが、好ましい範囲は２
０〜１００μｍである。１０μｍ以下の薄帯は加工が困
難であるとともに、作業性が悪い。また、１５０μｍ以
上では、ヒートザイクルを加えるとホーロ被覆層に亀裂
が入ったり、面状発熱体にそりが発生したりするなどの
問題がある。In addition to the usual cold rolling and hot rolling methods, the metal can be made into a thin ribbon by ultra-quenching.The thickness of the 1° thin ribbon can be 10 to 150 μm, but it is preferable. The range is 2
It is 0 to 100 μm. A ribbon with a diameter of 10 μm or less is difficult to process and has poor workability. Moreover, if the thickness is 150 μm or more, there are problems such as cracks appearing in the hollow coating layer and warpage occurring in the planar heating element when a heat cycle is applied.

薄帯化した金属を所望のパターンに形成する方法として
は、エツチング法、プレス加工法が適している。Etching and press working are suitable methods for forming a thin metal strip into a desired pattern.

第４図にパターン形成した電気発熱素子の実施例を示す
。形状は定格電力５発熱面積、温度分布などを考慮して
設定する。FIG. 4 shows an example of a patterned electric heating element. The shape is determined by considering the rated power 5, heat generation area, temperature distribution, etc.

ｐ）第２のホーロ層 発熱素子啓被覆する絶縁層は、ホーロ層以外に、無機質
耐熱塗料などがあるが、第１のホーロ層及び電気発熱素
子との密着が悪い。この、絶縁層としての第２のホーロ
層は、作業性、コストなどから、チタン乳白フリットを
用いるのが好寸しい。p) The insulating layer covering the second hollow layer of the heating element includes an inorganic heat-resistant paint in addition to the hollow layer, but it has poor adhesion to the first hollow layer and the electric heating element. For this second hollow layer as an insulating layer, titanium opalescent frit is preferably used from the viewpoint of workability and cost.

次に本発明を実施例によシ詳細に説明する。Next, the present invention will be explained in detail using examples.

実施例１ 金属基材として大きさ１５０ｘ　１６０ｍｍ、厚さ０．
８ｍｍのホーロ用鋼板を用い、通常のホーロ掛けに用い
られている前処理を施し、これにホーロ下引層及びホー
ロ上引層を形成した３、これらのガラスフリットの組成
、ホーロスリップの組成および製造条件を第２表、第３
表に示す。Example 1 A metal base material with a size of 150 x 160 mm and a thickness of 0.
Using an 8 mm steel plate for enameling, pretreatment used for normal enameling was applied, and an enameled undercoat layer and an enameled upper layer were formed thereon. 3. The composition of these glass frits, the composition of the enameled slip, and The manufacturing conditions are shown in Tables 2 and 3.
Shown in the table.

第２表 第３表 次に、材質がＮｉ−Ｃｒで厚みが６０μｍの発熱素子を
第４図に示したパターンに形成し、前記ホーロ層表面に
設置した。その後、第３表のホーロ上引層のスリップを
発熱素子が被覆されるように塗布し、乾燥後８０ｏ’ｃ
で１０分間焼成して試料Ａとした。Table 2 Table 3 Next, heating elements made of Ni-Cr and having a thickness of 60 μm were formed in the pattern shown in FIG. 4, and placed on the surface of the hollow layer. After that, apply the slip of the hollow overcoat layer shown in Table 3 so that the heating element is covered, and after drying,
Sample A was obtained by baking for 10 minutes.

また、試料Ｂとして、前記のホーロ上引層を金属基材と
結合させ、その表面に前記のホーロ下引層を形成し、前
記試料Ａと同じようにＮｉ−Ｃｒの発熱素子を設置し、
前記のホーロ上引層で被覆した。In addition, as sample B, the above-mentioned hollow overcoat layer was combined with a metal base material, the above-mentioned hollow undercoat layer was formed on the surface thereof, and a Ni-Cr heating element was installed in the same manner as the above-mentioned sample A,
It was coated with the hollow overcoat layer described above.

さらに比較例として、金属基材に前記のホーロ下引層を
被覆し、その表面にＮ　ｉ　−Ｃｒの発熱素子を設置し
、前記のホーロ上引層でその表面を被覆した。Furthermore, as a comparative example, a metal base material was coated with the above-mentioned hollow undercoat layer, a Ni--Cr heating element was placed on the surface thereof, and the surface was coated with the above-mentioned hollow overcoat layer.

これらの試料について、金属基材と発熱素子間の室温お
よび３００℃での絶縁抵抗、絶縁耐力を測定した。々お
、絶縁抵抗は、電圧５００Ｖ印加のときの抵抗を測定し
、絶縁耐力は、国洋電機■製耐圧試験器を使用し、しゃ
断電流を１ｏｍＡに設定して１分間通電し、ショートし
たときの電圧を示す。その結果を第４表に示す。For these samples, the insulation resistance and dielectric strength between the metal base material and the heating element at room temperature and 300° C. were measured. For insulation resistance, measure the resistance when a voltage of 500V is applied, and for dielectric strength, use a withstand voltage tester manufactured by Kokuyo Electric Co., Ltd., and set the cut-off current to 10mA and apply electricity for 1 minute, and when a short circuit occurs. Indicates the voltage of The results are shown in Table 4.

以下余白 第４表 上記の結果から、本発明によるものは、絶縁抵抗、絶縁
耐力が比較例よりも大幅に優れていることがわかる。From the above results, it can be seen that the insulation resistance and dielectric strength of the invention are significantly superior to those of the comparative example.

発明の効果 以上のように、本発明の面状発熱体は、従来の面状発熱
体よりも電気絶縁性に優れ、これまで（／Ｃ面状発熱体
の実使用温度が２００℃以下たったものが２５０〜３５
０℃での使用が可能となる。Effects of the Invention As described above, the planar heating element of the present invention has superior electrical insulation properties than conventional planar heating elements, and has been shown to be superior to conventional planar heating elements in which the actual operating temperature is 200°C or lower. is 250-35
It can be used at 0°C.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の面状発熱体の縦断面図、第２図はその欠
陥部を現わした要部の断面図、第３図は本発明の面状発
熱体の要部構成を示す縦断面図、第４図は実施例に用い
た電気発熱素子の平面図である。 １・・・・・・金属基板、２・同第１のホーロ層、２Ａ
・・・・・ホーロ下引層、２Ｂ・用ポーロ上引層、３・
・・・・・電気発熱素子、４・・用第２のホーロ層。FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a conventional planar heating element, FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part showing the defective part, and FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view showing the main part configuration of the planar heating element of the present invention. FIG. 4 is a plan view of the electric heating element used in the example. 1...Metal substrate, 2. First hollow layer, 2A
...Enamel undercoating layer, Polo top layer for 2B, 3.
...Second hollow layer for electric heating element, 4...

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 金属基板と、その表面に形成した第１のホーロ層と、前
記ホーロ層上に、第２のホーロ層によって被覆して結合
した電気発熱素子とを有する面状廃熱体であって、第１
のホーロ層をホーロ下引層とホーロ上引層で構成し、前
記ホーロ下引き層お」こびホーロ上引層を形成するガラ
スフリットのいずれかがチタン乳白フリットであること
を特徴とする面状発熱体。A planar waste heat body comprising a metal substrate, a first hollow layer formed on the surface of the metal substrate, and an electric heating element covered and bonded to the hollow layer by a second hollow layer, the first
The enamelled layer is composed of an enameled undercoat layer and an enameled overcoat layer, and either of the glass frits forming the enameled undercoat layer and the enamelled upper layer are titanium milky white frits. heating element.